Exemplo - Atividade elétrica na atmosfera.

Potencial Elétrico na atmosfera.

 A atmosfera terrestre está em constante mutação. Ventos e  tempestades, calor e frio, luz e sombra, fazem parte do nosso dia a dia. Porém, bem menos vísivel é a intensa atividade elétrica da atmosfera.

Nosso planeta é um esferóide com uma imensa carga elétrica negativa. Isto, é claro, dá origem a um campo elétrico em torno do planeta. Este campo elétrico, por sua vez, é origem de uma série de fenômenos.

Estes fatos também pode ser entendidos em termos de potencial elétrico. Tomando a superfície terrestre como referência (potencial nulo), à medida que nos afastamos da superfície registram-se diferenças de potencial elétrico cada vez maiores (ver figura acima).

Nas nuvens, o atrito constante entre as gotas de água, grãos de poeira e cristais de gelo, inicia um processo de eletrização. Cargas elétricas são acumuladas em diferentes pontos das nuvens.  Quando a rigidez dielétrica do ar se rompe, elas são trocadas entre pontos de potenciais diferentes nas nuvens e entre as nuvens e a superfície. Formam-se então os raios.

Existe ainda a interação do topo da nossa atmosfera com o vento solar. O fluxo contínuo de íons que vem do sol interage como o campo magnético do planeta e são dirigidos para os pólos.

A interação desses íons com os átomos do topo da atmosfera produz as luzes chamadas de aurora boreal ou aurora austral, conforme o pólo onde ela ocorre. Esta mesma interação quando se dá entre os íons e os  átomos de oxigênio produz a bonita luz verde mostrada no vídeo abaixo.

O vídeo mostrado a seguir é uma edição de imagens obtidas a partir da Estação internacional em órbita da Terra. Foram editadas por Michael König com música de Jan Jelinek.

Rio Nilo, mar vermelho e mediterrâneo.

O vídeo mostra uma atmosfera em constante atividade elétrica. Observe as diversas tempestades com seus raios e trovões. Observa-se a interação das cargas elétricas do vento solar com a atmosfera através das luzes das auroras boreais.

Por último, deve-se observar a imensa quantidade de energia elétrica que a nossa civilização usa para iluninar as cidades. Estamos extinguindo a noite. Afora as regiões polares, algumas outras regiões na África, na China e América do sul, a nossa presença já é notada do espaço.

Identificamos alguns trechos por ordem de aparição:

1. Passagem noturna sobre os Estados Unidos, Aurora Boreal;
2. Passagem noturna sobre a costa leste americana , Aurora Boreal;
3. Passagem sobre a ilha de Madagascar e sudoeste da Austrália, Aurora Austral;
4. Passagem sobre o sul da Austrália, Aurora Austral;
5. Passagem sobre a costa oeste americana e sobre a América Central;
6. Passagem sobre o Oceano Pacífico de sul para norte, Aurora Austral;
7. Passagem noturna sobre a África Central e Oriente Médio;
8. Passagem sobre o deserto do Saara;
9. Passagem noturna sobre Canadá e centro dos Estados Unidos;
10. Passagem sobre Califórnia até Baía de Hudson;
11. Passagem noturna sobre o mar das Filipinas;
12. Passagem  sobre o leste da Ásia até a ilha de Guam;
13. Passagem sobre o mar Mediterrâneo;
14. Passagem sobre o Oceano Índico, Aurora Austral;
15. Passagem noturna sobre o leste da Europa até o sudoeste a Ásia.

Vídeo: Earth | Time Lapse View from Space, Fly Over | NASA, ISS postado por Michael König no site Vimeo.

Imagens: The Gateway to Astronaut Photography of Earth.

Imagem: http://moraesfisica.blogspot.com/2010_07_01_archive.html

Exemplo - A Aurora Boreal

 Um dos exemplos mais impressionantes da atuação da força magnética é o processo que dá origem ao vento solar e a interação deste jato de partículas proveniente do sol com o campo magnético dos planetas. Veja a ilustração ao lado. Nela o campo magnético do planeta está em azul e o jato de partículas em vermelho.

O vídeo a seguir mostra como esta matéria altamente energética se origina no interior do sol, forma o vento solar e atinge nosso planeta onde, guiada pelo campo magnético da Terra, dá origem as auroras boreal e Austral.

Este vídeo é uma produção de Per Byring, pela forskning.no, em colaboração com o  Departmento de Física da Universidade de Oslo.

O vídeo mostra, em primeiro lugar, o processo de fusão nuclear que ocorre no interior do sol. Ele dá origem a energia da estrela. A fusão, movida pela força gravitacional, consiste, basicamente, em juntar, ou fundir, dois átomos de hidrogênio para formar um átomo de hélio. No processo sobra uma certa quantidade de energia, a energia solar.

Em alguns pontos, o campo magnético do sol guia a matéria solar para a superfície. Forma-se imensos jatos de plasma, a matéria solar. Ela é expulsa e viaja pelo espaço formando o vento solar.

O plasma, como é chamado o quarto estado da matéria, é formado de partículas carregadas eletricamente. No caso do vento solar temos elétrons, prótons e outras coisinhas. Todas elas muito perigosas para a saúde humana. Note que, no vídeo, na altura de 2:03, é apresentada uma sequência de fotos deste processo feitas pela sonda SOHO.

O vento solar atinge a Terra e interage com o nosso campo magnético. No vídeo as linhas do campo magnético da Terra estão mostradas em azul e as do sol em vermelho. Como resultado desta interação as partículas são desviadas para os polos. Quando elas interagem com o ar atmosférico emitem luz. Esta luz forma as nossas aurora boreal e austral.

The Aurora Borealis


Produção: Per Byhring
Vídeo de: Vimeo.

Aula - Forças de ação à distância e o conceito de campo.

Responda com toda sinceridade: Você nunca pensou em como é esquisito este negócio de forças de ação à distância?

- Se o sol está tão longe como ele consegue atrair a Terra? Parece magia, não?

Outra coisa. A Lei da gravitação de Newton afirma que a atração gravitacional  entre dois objetos é instantânea. Isto implica que a ação de um corpo sobre o outro é transmitida com  velocidade infinita. Como assim... velocidade infinita?

Leia o que o próprio Newton escreveu numa carta a seu amigo Benthey, em 1693:

"...que um corpo possa atuar sobre outro à distância através do vácuo, sem qualquer agente intermediário que possa transmitir esta ação de um ao outro, parece-me um absurdo tão grande, que não acredito que qualquer pessoa competente para raciocinar em termos de filosofia natural ( Física ) possa acreditar nisto."

 A ideia de uma força de ação à distância não agradava ao próprio Newton.

Se não devemos acreditar na ação à distância como então se dá o processo?

A ação de um objeto sobre o outro se dá por intermédio de um campo. Podemos pensar num campo como uma modificação no espaço ao redor da fonte. Existem campos de diversos tipos: Campo gravitacional, elétrico, magnético,etc. Além disto qualquer perturbação no campo se propaga  com velocidade finita.

Por exemplo: De repente o sol desaparece. Com isto a fonte do campo gravitacional que prende a Terra a ele desaparece. Esta modificação no campo, no entanto,  leva alguns minutos para chegar até a Terra. Assim, por alguns minutos depois do sol desaparecer a Terra ainda sente o seu puxão gravitacional.

Na animação abaixo temos uma partícula com carga elétrica ( um elétron) numa antena de um transmissor de rádio e outro na antena de sua casa. Eles se repelem de acordo com a Lei de Coulomb mas não podem se afastar porque estão presos nas antenas. Digamos que o elétron do transmissor se mova. Com isto a distância entre eles muda e a força de repulsão sobre o outro elétron deve mudar também. Mas o elétron não sente a mudança imediatamente.

O elétrom no transmissor é a fonte do campo elétrico. Ao se mover ele  muda o campo elétrico. Essa mudança se propaga pelo espaço com uma velocidade finita. Pouco depois a mudança atinge o outro elétron na antena da sua casa e então,  e só então, o segundo elétrom se move em resposta a esta modificação..

Clique na imagem abaixo. Um pequeno programa pedirá autorização para ser instalado no seu computador . Aceite a instalação. Na animação as caixas "manual", "curves with vectors", "Force on electron" e "Radiated field" deverão estar marcadas.  Os elétrons são as bolas azuis nas antenas

Marque a caixa "Oscillate". O elétrom se movimenta e gera uma perturbação no campo elétrico que se propaga em direção a outra antena (curva e setas vermelhas). Note que o outro elétron só se movimenta após a chegada da oscilação do campo, algum tempo depois. O campo serve como intermediário na transmissão da mudança que ocorreu na força elétrica que age entre os dois elétrons. As setas representam o vetor campo elétrico.

Marque novamente a caixa "manual". O primeiro elétrom para. Observe que somente quando o campo deixa de oscilar sobre o outro elétrom é que este também  para.

Clique na imagem

Tradução da carta de Newton: H. M. Nussenzveig em Física Básica, v3. Ed. E.Blücher Ltda.

Animação produzida por The PhET Interactive Simulations Project da  Universidede do Colorado, Boulder.

Exemplo - Campo magnético.

Os campos magnéticos mais notáveis ao nosso alcance estão no sol e nos planetas. Eles, claro, não podem ser vistos diretamente, mas podemos ter uma ideia precisa da direção das suas linhas de campo quando eles interagem com a matéria expelida pelo sol e que forma o  vento solar.

As partículas que compõem o vento solar são carregadas eletricamente e estão em movimento. Portanto sofrem uma aceleração na presença de um campo magnético. Isto acontece quando elas atingem a atmosfera dos planetas. Por exemplo,ao atingir a Terra elas se movem ao longo das linhas do campo magnético do planeta e se concentram nos polos magnéticos. Lá elas interagem com as moléculas do ar presentes na alta atmosfera que, por sua vez, emitem luz formando as auroras boreais e austrais.

As fotos abaixo foram tiradas em órbita da Terra e captam uma amostra dessa luz.A forma da matéria luminosa dá uma ideia das linhas do campo magnético. Observe as fotos.

O mesmo ocorre nos outros planetas. No vídeo abaixo temos imagens da Aurora boreal no planeta Júpiter. Foram captadas na faixa de frequência da luz ultravioleta pelas câmaras do Telescópio Espacial Hubble, em 2007.

No vídeo abaixo temos uma aurora no polo sul de Saturno captadas do mesmo modo e na mesma data. Repare, na lateral direita dos vídeos, a escala de intensidade. Nela o branco representa a faixa mais intensa da radiação.

Imagens e vídeos: NASA, Boston university.

Exemplo - Auto indução no circuito elétrico.

Um condutor percorrido por uma corrente elétrica produz em torno de si um campo magnético. Quando este campo varia ele induz ou cria no condutor uma corrente elétrica adicional sempre num sentido tal que tende a impedir a variação da corrente original.

Circuitos que possuem muitos  aparelhos elétricos com bobinas entre seus componentes têm  coeficiente de auto indução alto. Nestes casos a corrente auto induzida pode atingir níveis elevados.

Assim, quando desligamos um circuito com pequeno coeficiente de auto indução a corrente cai rapidamente a zero ( Veja figura abaixo, na linha tracejada ). De modo contrário, quando o circuito possui  coeficiente   de auto indução grande a corrente auto induzida produz um crescimento momentâneo da corrente elétrica  ( Veja a figura, na linha contínua ) provocando aquelas faíscas que você certamente já observou. 

Uma maneira de evitar este fenômeno é diminuir o tempo de desligamento do circuito. Isto é conseguido com o uso de disjuntores. Veja no vídeo abaixo a que níveis de intensidade a faísca pode chegar.

Aula - O espectro eletromagnético.

Quando aceleramos uma partícula que possui carga elétrica ela emite energia para o espaço a sua volta. Este tipo de fenômeno tem muitas semelhanças com uma onda na superfície da água.

Estas ondas são causadas pela variação do campo elétrico e do campo magnético da partícula e são, portanto, chamadas de ondas eletromagnéticas. Elas têm duas características notáveis:

• Uma onda na superfície da água necessita dela para se propagar. Se não há água não existe onda. As ondas eletromagnéticas, no entanto,  têm a propriedade de se propagar no vácuo.
• As ondas eletromagnéticas são o que existe de mais veloz na natureza. No vácuo, elas se propagam na velocidade da luz.

Imagine uma partícula com carga elétrica num movimento de "vai-e-vem". Esse movimento tem uma frequência que, por sua vez, é a frequência da onda que a partícula emite. Ao conjunto de ondas de todas as frequências possíveis chamamos de "espectro eletromagnético".

Um pequeno intervalo dessas frequências são capazes de sensibilizar as células da retina dos nosso olhos. Nosso cérebro processa essas informações e nos as percebemos  como as cores mostradas abaixo. Essa parte do espectro eletromagnético é chamado "espectro visível da luz".

Nós usamos as ondas eletromagnéticas para transportar informação e essa aplicação tecnológica determinou a divisão do espectro em várias regiões: ondas de rádio, micro-ondas, televisão,etc.

Abra a animação. Ela foi preparada pelo CPTEC ( Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos ) do INPE ( Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais ) e mostra as faixas de frequências em que está dividido o espectro eletromagnético bem como as características de cada uma delas.

Aula - Transmissão de calor por irradiação.

Uma da maneiras de transmissão de calor é a emissão de radiação eletromagnética. Essa transmissão é feita numa determinada faixa do espectro eletromagnético chamada de "Infravermelho".

Essa faixa de frequência está situada logo abaixo da faixa de luz visível, abaixo da frequência da cor vermelha (dai o nome). Essa luz não é visível mas podemos percebe-la através da nossa pele quando estamos na praia ou passamos próximo ao formo do fogão quando ele está ligado. Essa sensação de "quente" na pele é devida a absorção da luz infravermelha.

Exemplo - Luz infravermelha.

Os objetos materiais emitem energia na forma de calor também por irradiação. Essa radiação é chamada luz infravermelha. São ondas eletromagnéticas com frequência logo abaixo da faixa de luz visível. Ela não pode ser vista mas pode ser detectada por instrumentos como uma filmadora. Aqui é usada uma cor falsa: o vermelho. Quanto mais mais "quente" o corpo mais brilhante a cor vermelha. Assim um corpo "frio" é visto como negro.

No filme abaixo, feito pelo Spitzer Science Center da NASA, uma janela é negra quando de fora entra pouca luz infravermelha e brilhante quando entra muita luz dess tipo. O mesmo acontece com a tela do computador que é quente e a imagem do "data show" que é fria.

Veja como o corpo humano emite luz infravermelha a ponto de ser visto no escuro. O corpo humano aquece os objetos em que toca e por isto deixa "pegadas de calor" que podem ser registradas no filme.

Exemplo - Campo magnético.

Dois campos magnéticos têm importância vital para a vida no nosso planeta: O campo magnético gerado pelo sol e o campo magnético gerado pela Terra. Os campos, é claro, não podem ser vistos por isso são representados por linhas ( ou superfícies ). Esse tipo de representação nos fornece informações sobre a intensidade e a direção na qual são aceleradas as partículas elétricas ali presentes.

O primeiro vídeo é uma edição de várias animações produzidas pelo SOHO ( Observatório do Sol e da heliosfera ), um projeto conjunto das agências espaciais americanas ( NASA ) e européia ( ESA ).Nele vemos, em seqüência, as linhas do campo magnético solar, a sua participação na formação das manchas solares e dos imensos jatos de matéria expelidos da superfície para o espaço ( flare ).

A imensa quantidade de energia magnética acumulada na atnosfera solar ocasionalmente é liberada de forma explosiva. Isso ejeta para o espaço grandes quantidades da matéria solar no estado de plasma ( considerado um estado da matéria. A matéria que constitui o sol, devido as altas energias envolvidas, não encontra-se nos estados normais ( sólido, líquido ou gasoso ) mas no quarto estado da matéria, chamado plasma.Nesse estado a matéria é uma " sopa " de prótons, elétrons, radiação eletromagnética e outras coisas bem estranhas. Todas muito perigosas para a vida em geral e para a nossa saúde em particular.Esse material, expelido continuamente pelo sol forma o vento solar e se dirige em alta velocidade em nossa direção.

Felizmente temos duas linhas de defesa. Uma delas é nossa atmosfera, a outra o campo magnético terretre. Na animação o campo é mostrado através de superfícies de campo magnético. A atmosfera absorve parte do vento solar e o campo desvia outra parte. Nesse processo forma-se um fluxo de partículas ( elétrons ) na direção dos polos onde devido a sua interação com as moléculas presentes no ar emitem luz formando as auroras boreais ( e austrais ).

O segundo vídeo não é uma animação. É uma das primeiras, senão a primeira, filmagem da aurora boreal em movimento vista de cima da atmosfera. Neste caso de bordo da estação espacial internacional. As faixas de luzes esverdeadas ondulantes marcam o local das concentrações de partículas do vento solar desviadas pelo campo magnético. Observe ainda, logo no inicio do filme, logo abaixo dos painéis solares da estação uma faixa estreita acima da superfície terrestre. Ali está a nossa atmosfera vista de perfil. Nesta pequena faixa está toda a história, todos os sonhos, todas as conquistas da nossa espécie. Dá o que pensar, não é mesmo?